三极管RBSOA测试仪的设计 - 全文

本文基于三极管的反向偏压安全工作区原理，设计研发了一款由电感诱导的三极管RBSOA测试仪。通过反向偏压安全工作区判断三极管的好坏，是一种全新的检测方法。

l 三极管RBSOA测试技术概述
1．1 RBSOA
    由于负载诱导，在关断三极管的时候，负载端的高电压与大电流将同时持续存在，持续时间主要取决于发射结的反向偏压的大小。所以在关断时集电极的电流电压必须控制在三极管的可承受范围以内，这即是晶体管的反向偏压安全工作区，它表现为反偏关断晶体管时的电流电压值，如图1所示。所以，RBSOA即晶体管在反向偏压下能够安全工作的区域。一般说来，晶体管的反向偏压工作范围是由其最大额定值(电压、电流、温度功率最大值)决定的。

    在实际应用中，功率晶体管及其他半导体器件在应用中常常会受到一种被称为“二次击穿”现象的损坏，它表现为器件电压自发地而且往往是突然的下降，以及突然发生内部电流集中。电压降低和伴随的电流增大会造成电路故障，而内部电流集中将会引起局部发热，因而导致器件退化甚至完全失效。当晶体管工作于RBSOA内，则可以很好地避免“二次击穿”的发生。
1．2 三极管RBSOA测试原理
    三极管RBSOA测试的原理如图2所示。

    开关S先打到Ib1端，给测试管DUT提供正向基极Ib脉冲，使被测管导通。由于测试管工作于放大区，Ic=βIb，Ic上升，但由于线性电感Lc的作用，Ic随时间线性上升，直到Ic达到预设定的值。然后将S打到Ib2端，反向抽取DUT基区的超量电荷，迫使DUT马上关断，加速Ic的下降。根据ε=L×dI／dt，Ic的快速下降将使电感两端产生一个很高的感生电动势，DUT的集电极上的电位也随之升高。当Vce大于Vclamp时，Vce就会被箝位电路箝住，使Vce保持跟Vclamp相等。通过检测Ic和Vclamp是否能达到预设的值(即三极管是否能在反向偏压安全工作区内正常工作而不被击穿)，就可以断定被测管是否好管。
2 系统结构
    由以上测试原理可知，本系统的特点是要实现三极管集电极电流和集电极-发射极反向偏压可控、电流和电压的迅速检测并判断以及对各种判断结果做出相应处理，因此必须要求系统具有非常良好的可控性、可靠性、稳定性和实时性。为了实现上述功能和特点，本测试仪划主要分成6个模块；驱动电路模块、箝位电路模块、电流电压检测模块、MCU模块、计算机／PC模块和大功率电源模块，结构框图如图3所示。

2．1 驱动电路模块(Ib模块)
    驱动电路模块是整个测试过程的启动因素，负责给被测三极管提供基极电流Ib，使被测三极管导通。在诱导电感Lc的作用下，通过控制Ib的持续时间可以实现对Ic大小的控制，使Ic达到预设的值。

为了实现Ic可控，并且能准确地达到预设值，这就要求Ib的启动与关闭必须非常迅速。根据三极管的开关响应特性(见图4)，为了使DUT快速导通，缩短开通时间ton，驱动电流必须具有一定幅值，前沿较陡的正向驱动电流，可加速DUT的导通；为加速DUT关断，缩短关断时间toff，驱动电流必须具有一定幅值的反向驱动电流。所以，根据RBSOA基本测试原理图(图2)，驱动电路模块(Ib模块)必须具备3个能力：一是必须具有0～3 A的正向驱动能力，即Ib1，对于大多数常用的三极管，0～3 A的驱动电流已能达到驱动的作用；二是具有一个有快速关断能力的开关S，以保证DUT快速关断；三是具有吸收反向电流Ib2的能力，这样才能更好地减少DUT的关断时间。理想的驱动电流如图5所示。

    实际的驱动电路输出波形如图6所示。由图5与图6可以看出，设计的驱动电路输出的实际波形非常符合理论波形。
2．2 箝位电路模块
    在开关晶体管加反向偏压时，因为关断时间会减少，根据ε=LdI／dt，集电极会产生一个很大的感生电动势，此时应避免基极-发射极结发生雪崩现象。当二次击穿发生时，利用保护电路转移DUT中的电流，以避免损坏被测器件，使系统能够无损测试，这就是箝位电路的主要作用之一。
    箝位电路的作用之二是实现DUT集电极一发射极电压Vce可控。在Ic电流急剧下降的过程中，电感Lc的自感作用将使DUT集电极打上一个很高的电位。所以当Vce大于箝位电路的箝位电压Vclamp时，箝位电路将通过电阻电容消耗掉超出Vclamp的部分，使Vce保持与Vclamp相等。图7中间处的一个脉冲就是Vce的检测波形(线性上升部分的波形是Ic的波形)。由图7可知，箝位电路的箝位作用很强，波形的顶端非常平坦，Vce可以很稳定地被钳在一定幅值上。

    箝位电路的箝位电压可以通过DA用0～5 V的低压来实现对0～800 V大范围电压的线性调节，以适应多种三极管反向偏压的测量。
2．3 电流电压检测模块
    电压电流检测模块结构示意图如图8所示，它包含了电压检测模块与电流检测模块。电压检测模块负责检测Vce，电流检测模块负责检测Ic，然后把检测到的信号送到比较器做比较，得到的比较信号再送MCU处理，处理结果分别送往LCD和PC机的LabVIEW界面。

    由于要检测的Ic和Vce信号持续时间非常短，最小持续时间仅有5μs，因此对比较器的响应速度提出了很高要求。由文献可以看出MAX901是一款响应速度非常快的比较器，从输入到输出，典型的响应时间是10 ns，足以满足测量需求。
2．4 MCU模块
    MCU模块是测试仪的核心模块，在测试仪中起到主导作用，控制着整个系统的运行。同时还起到仲裁作用，根据系统不同的运行情况和不同的检测结果，决定系统以后不同的运行步骤。另外，MCU模块还起到了桥梁的作用，联系和协调了系统各个模块之间的运作。
2．5 计算机／PC模块
    PC模块负责与电压电流检测模块通讯，并提供人性化的操作界面(LabVIEW)。图9为系统的LabVIEW面板。在这个面板上，可以设置基极驱动电流、箝位电压等的初始值。而且，可以从面板上控制测试的开始，并显示测试的结果。

2．6 大功率电源模块
    电源模块为整个系统提供可靠电源，电路设计主要采用三端集成稳压器为控制电路供电，串联型稳压电路为负载电感等大功率电路供电，保证了电路大功率供电和各个模块和芯片电源电压稳定供电的要求。

3 系统软件算法的实现
3．1 控制软件流程
    控制软件的流程主要是指MCU处理事件先后顺序的流程。控制软件的流程是按照一般的测试流程进行的，具体的流程图如图10所示。

3．2 多点采样法判断检测结果
    在实际生产应用中，测试仪所处环境存在很大电磁干扰。在判断Ic和Vce是否达到预设值时，如果采用单点检测法来进行判断，则往往难以区分负载产生的高压与干扰产生的脉冲电压，从而导致检测结果不可靠。为了有效地避免这个问题，本系统采用多点采样法来进行判断，大大提高了检测结果的可靠性。
    多点采样法即是对比较器的输出端进行连续多次的采样，并对采样结果进行处理分析，在检测到Ic值达到设定值的90％后开始连续采样，以确定是否由于干扰而产生的单个脉冲电压，在Ic开始下降后开始对Vce连续采样，同样排除了干扰脉冲的可能，这样一来就实现了对Ic和Vce的可靠检测，使得检测结果的可靠性得以大大提高。

4 结语
    本系统完成了整个三极管RBSOA测试仪的硬件和软件的设计和实现。通过控制驱动电路的开启时间来控制测试大电流和用D／A控制箝位电压范围，实现了对三极管的测试电流和电压可控操作，真正做到了无损测试。本系统设计了大范围的测试电流、测试电压可调电路，以满足多种不同型号的三极管测试要求；设计了多点采样检测法，避免了由于实际生产的恶劣环境导致对检测结果产生误判的现象发生，大大提高了测试的可靠性；设计了人性化的软件界面，做到了使用方便，操作简单，容易掌握。经过长期、大量的测试，本仪器已经真正实现了适应生产应用的测试环境和测试要求。